管路間接水冷方式によるofケーブルの -...
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∪_D.C.る21.315.211.3-713.1:る21.る43.3.031
管路間接水冷方式によるOFケーブルの
送電容量増大Transmission CapacitYlncrease of
Oil-fi‖ed Cable bY Separate Pipe Cooling
近年,都市部の電力需要の増加に対処するため,超高圧地中線路の州谷岩化が進
められているが,その一つとLて既設の275kV OFケ【ブル系統に管路間接水冷ブナ
式を適用することを考えた。この報告は,冷ムロ設備の設計,製j立役び抑付,_舵びに
送水管としてこの二L事のために開発したどニルl;ガ女波付ステンレス管の実用化につ
いて述べたもので,間接水冷によるケーブル増容量化工事を無二峯完了させることが
できた。更に,この設備の冷却効米を検証するため,進転中の各部のiふし度実測を行
なし、角牛析した。これらの工事と解析を通して,ビニル王坊良波什ステンレス管の製造
方法や布設工法を確立したこと,間接水i合方式が予想どおりの効果を発揮L,当初
の目標送電存立を確保できることを実証て、きたことなどにより,今綬の超■亡引t強制
i令却線路の設計と建設に対L有益な結果を得た‖
t】 緒 言
近年のう毒力需要の咄カーlに仰い,送電系統の増谷迫化の必要
件が増加している。特に郡市部では,電力需要♂)吋力‖が著し
く,これに対処するため新たに大容量【ロJ線の新設を進めつつ
あるが、これとともに既設同線の容量糊加を図ることも必要
となり,強制冷却方式をはじめとする椎々の桝谷岩化の方法
を検討してきた。
このほど東京電力株式会社では,上既設の重安回線の・一つで
ある城南練275kV OFケーブル系統の桶谷造化を【淫Ⅰる目的で,
同・一ル【卜内の空管路を利用してi令却水を通水し,強制冷却
を行なう管路間接水冷方式を採用した。ここでは,そのj令上‖
青麻洞道
六本木調整所 こ】
′′
′
至城南変電所
10
11
谷沢克憲*
小川勝徳**
菅野 洋***
岩崎 力***
金丸公春****
冨田浩庸***
7七γl∠ヱαぴα∬α亡ぶ加,10r上
OgαⅧα尺α!ざ址mOr≠
∬αれれ0 〃Jγ0ざん≠
J叩αざαんよrざ加Jom以
〟α乃PWγ以 〟f仇ノんαru
ro仇gオα 〃~γ0れ∂ん祉
方式,工事のキ耽要及びi令力J効果を検占Eする目的で行なった・呪
地実測結果と解析内容について報i与する。
囚 ケーブル及び冷却設備
2.1 ケーブル系統及び通水方式
城南線275kV OFケーブル系統は.郡内城南変屯所と江メ{
変電所を結ぶ亘長約15kmのOFケⅦブル3【_叫線の系統である‥
この系統は,昭和46年に建設されて以来,郡内の主幹送`正系
統として逆転されてきたが,最近の郡内の電力需要の呵加に
伴って330MVA/回線(でナ計990MVA)にまで桝谷去圭化する必安
20
21
79
18
丁7
柑
15
14
13
12
0注:一
管路布設区間
○ 人孔
⊂=コ 洞道
桜田第1洞道
ヽヽ
ヽ
至江東変電所
〕ヒ新橋変電所
麻布洞道 ◎冷却基地設置卵図l 対象区間のルート略図 対象区間はNo.l,No.了の洞道布設部と他の管路布設郡より成る。
*東京電力株式会社送変電建設本部地中線建設課 **東京竜プ揃式台祉地中線総建設所東京南上事事務所電;i課 ***日立電線株式全社日高工場
****
日立電線株式会社研究所
75
870 日立評論 VO+.59 No.】0=97了-10)
0
0
∩)
0
0
0
0
0
4
3
2
一】・・
(要望二州辟撒鮭
G)2
330MVA
8 ⑦8 9 10 11 12 13 14 15 18 17 18
区間番号.
19 20 21B
3.673
Aからの距離(km)
注:A=青麻洞道3号人孔部
B=桜田第1滴道1号人乳部
①①=洞道都
図2 非冷却時の許容送電容量 許容送電容量は区間ごとに異なり,全体として220MVA個繰に制限さ
れる。
六本木調整所
冷却基地
城南変電所→・-・・・
城南変電所一-
代183人孔
育麻洞道 麻布洞道
(a)一括通水方式
六本木調整所
冷却基地地
青麻洞道 麻布洞道
代183人乳
北新橋変電所
冷却基地
桜田第]洞遺
桜田第1洞道
--・●・江東変電所
--・江東変電所
(b)分割通水方式
北新穂変電所
冷却基地
図3 冷却水通水方式の略図 通水方式とLては(a)の一括通水方式と(b)の分割通水方式を採用L,相互
に切換え可能な構造とLている。現在,(8)の一括通水方式により運用Lている。
に迫られ,3区間に管路間接水冷方式が採用された。ここで
は日立電線株式会社で担当した図1に示す六本木調整所(青麻
洞道3号人孔部)から桜田第1洞道1号人孔部までの約3,7kmの
区間について検討する。図2中に実線で示すとおり,区間ご
とに管路の埋設深さや配置が異なること,及び-一一部に洞道区
間があることから,許容送電容量は区間ごとに異なったもの
となっている。
目標送電容量の330MVA/回線に対しては,図2中の破線で
示したとおり,①,⑦の洞道区間を除きすべての区間で所要
の送電容量に満たず,このままでは330MVA/回線に容量増加
できないことが分かる。このため,なんらかの冷却方式を採
る必要があった。管路布設ケーブルに対する冷却方式として,
直接水冷方式と間接水冷‾方式の二つが考えられたが,近傍の
空管路内に冷却水を通水する,管路間接水冷方式を採用する
76
二とになった。
冷却水の通水に使用する空管路は,当初より通水用として
梢築されたものではなく,水漏れなどの問題が予想されたた
め管路内に通水管を通し,この内部に冷却水を流すことにし
た。そこで,管路内に日立電線株式会社の開発したビニル防
食波付ステンレス管1),あるいは特殊ビニルホースを引き入
れ,通水管として使用した。
通水管を全区間3本布設し,通水方式としては図3(a)に示
すように六本木調整所から冷却水を通水管1本で送水し,桜
D二Ⅰ第1洞退部で析り返し,2本で戻る【イ占通水方式が採用さ
れている。なお,冷却其地は六本木調整所と北新橋変電所の
2箇所に設置し,同図(b)に示すような通水ルートを2系統に
分けた分割通水方式での強制冷却もできるような設備となっ
ている。
2.2 冷却基地設備
冷却系統の概要は図4に示すとおりである。
六本木調整所と北新橋変電所の冷却基地設備は,常時一一定
i充量の冷却水を送水し,同時に冷却水水温を-一一定i温度以下に
冷却する装置である。一括通水時には青麻3号の貯水槽の水
を水中ポンプで六本木調整所に揚水して水槽に蓄え,送水ポ
ンプで通水管に送水する。図3(a)及び図4で冷却水が北新橋
基地を経由するのは,冷却水の熱源を暖房に利用するためで
ある。このため,北新橋某地と六本木基地の送水ポンプは直
列運転されている。
分割通水は六本木と北新1喬両基地をベースとした2系統で
水冷を行なうもので,両系統とも冷却水は閉回路で循環され
る。このとき冷却水の水i且を所定の値以下に保つため,六本
木基地には冷却塔が設置され,復水が冷却される。冷却塔は
飛散水が少なく,低騒音タイプのi充‾F式向流.型を採用してい
る。また送風機騒音を下げるため,送風機をフアンルームに
収納し,同時に吐出し[‾1は消音器を通して冷却塔に接続して
いる。一方,北新橋基地ではビル内の温度制御用の冷水(100c)
と熱交換することにより復水が冷却される。熱交換器は向流
型を才采用し,温度制御は混合三方弁による比例制御となって
臣∋
載7.5kW
HEX(排熱)
HEX(地中線)
※冷却側
省略
北新橋変電所
鰐
「i
基地
洞道
霞ヶ関洞道
管路間接水冷方式によるOFケーブルの送電容量増大 871
いる。北新イ浩側の過水管は上棟和洞迫で八木イJ則と一校続されて
おり,北新橋側冷月】水の水道が不足すると八本木側から[∫1動
的に補給される構成となっている。
2.3 通 水管
管路内過水管には,従来テトロンを心材にして内外屑にポ
リエチレンやどニルをかぶせたホースが他用されてきたが,
/ト回の通水管の仝良約12,000mのうち5,000mには日_)工電線株
式会社が開発したどニルl;ガ良枝什ステンレス管が採用されて
いる。この通水管のイ構造を図5にホす。
ビニルドガ良波付ステンレス管は,1mlⅥ以下の薄い湖二鋼をパ
イプに成形したのちi存接し,外側からスパイラル状に披イ、j‾け
した管に地中ケMブルと口J等のどニル【妨魚層を施したもので
ある。金属管のため機械的強度に憧れ,OFケーブルとトポ苧以
+二の可操作を持ち,管の接続金具も構造が簡単であるなど多
くの一巨f叶を持っている。つ
人イLl勺の旭水管には伸鉛めっき鋼管がイ如11されており,こ
れは逆転巾のケーブルが10本以_卜布設された狭い八イL内に通
水管を3本通L,仝管に軋1ヒ弁,l二1劫ソと~も抜き弁ノ女び排水弁
を取り付けるため,配管をコンパクトにする必要があったた
めである。
空気
六本木調整所
5.5kW
だ排水
4.OJ/s
巨∋ 鰐
5.5kW
77
上水
(北新橋区間)
「.+‾‾
+ _
桜田第1洞適
法:-+診----- バルブ(開)
-一阜トーーバルブ(閉)
⑥流量計(電磁郵
代183人乳
(六本木区間)
__ 【 「‾「_【
麻布洞道
1号人孔 2号人乳
一寸\、トー 逆止め弁
「ブー ストレーナ
1ヨ=FMバルブ
匡14 冷却系統区1 太線で示している系統が現在運用中の一括通水方式である。
竺+
発
∈3
苦麻3号人乳
ノ、
■、巳1
貯水槽
港145
+至卜流量計(瞬時型)
…匂卜量水計
872 日立評論 VOL.59 No.10(柑77一柑)
富
ビニル防食波付ステンレス管
ビニル防食層
図5 ビニル防食波付ステンレス管の構造 冷却水通水用パイプと
Lて浪付ステンレス管にビニル防食層を被覆Lたものを用いた。
同 工事の概要
冷却システムの設計完了に伴い,現地調査を開始し実験施
工を行なうなど,詳細な検討を加えたのち工事に着手した。
主な工事内容は,次に述べるとおり,
(1)冷却用通水パイプの管路内布設及び接続
(2)人孔内における通水パイプ接続用配管作業
(3)冷却基地内における冷却及び送水設備の据付
である()ここでは,上記(1)及び(2)についてどニル防食波付ス
テンレス管を主体にその概要を述べる。
3.1布設工事
布設工事に先立って,技術的な問題点の確認のため,布設
予定管路で事前に布設実験を行ない,本工事に備えた。工事
の結果を要約すると,次に述べるとおりである。
(1)冷却用通水管の布設は,従来の電力ケ【ブル布設と同様
に行なうことができた。なお,布設地区が都内の繁華街のた
め,作業スペース,交通規制などの条件を考え,卓上延線・方
式を採用した。
(2)布設後の通水パイプには,布設時の変形,ビニル防食層
の損傷などの問題はなく,また5kg/cm2(冷却水送水圧力)の
圧縮空気を封入して行なったリーク試験にも異常なく耐える
ことを確認した。
(3)電力ケーブルの布設に用いられている滑村を使用し,厚
子察力を低減させることによI),布設時の張力は当初の計算値
よりも/+、さく,十分許容値内に抑えることができた。
3.2 接続工事
管路内に布設した通水パイプには,フランジを取り付け,
接続金具を介して人孔内の鋼管と接続Lた。フランジの取付
けはTIG溶接により行なったが,その採用に当たっては作業
状況の特殊性を考慮し,安全性についての十分な事前検討を
実施した。
管路口付近での接続は,作業範囲が狭いという問題があり,
コンパクトな治具が要求された。ニの対策として,ディスク
サンダをパイプ周囲に沿って回転,切断させる新形治具を開
発し,切断作業を安全かつ容易にした。
3.3 人孔内配管
人孔内での配管作業は,作業人孔数が多いこと及び運転中
の重要電力ケーブル回線が軸接していることから,作業の簡
略化が必要となった。その対策として,必要部品を含めた配
78
rl.頑野繁閑
岩詣
注:(軒水冷管,(⑨z75kV OFケーフ■ノレ
ヨ器
誹
図6 人孔内における水冷管の布設状況 電力ケーブル管路の近傍
の空管終に,通水パイプを引き入れて冷却Lている。
管をあらかじめ製作し,現地人孔では組1t,及び調軽作業だ
けとする工事のプレハブ化を実施した。プレハブ化の導入に
より作業能率が向上するとともに,戸妃管作業が容易になるな
どl・分な成果を挙げた。図6に人孔内での配管状況をホす。
3.4 通水,耐圧試験
布設,接続作業終了後,冷却系統全体の通水,耐圧試験を
行ない,漏水その他の異常のなし、こと及び冷却,送水各設備
の動作を確認し,全作業を終了した。
日 冷却効果の実測及び解析
4.1実測結果
本区間の土壌の熟定数を推定する目的で,冷却開始前に負
荷電流及びケ【ブル表面温度の現地実測を行なった。更に,
冷却効果を検証する目的で冷却開始後,負荷の増加する夏季
に約10日間にわたって負荷電流,各部水冷管温度,及びケー
ブル表面温度を実測した。その結果の一例を図7,8に示す。
なお,実測時には図3(a)の一括通水方式が採られておr),
また,代183人孔から北新橋変電所への通水径路をう回せずに
直接人本木調整所にもどる径路が探られた。したがって,後
述の解析に際Lてもこの方式に合わせて検討した。なお北新
橋変電所へう回したとき,図8の区間16から区間1の帰路の
水は北新橋変電所内で熱交換されるため,更に温度が低■Fし
ケーブル運転上安全側となる。
4.2 実測結果の解析
(1)冷却時各部温度の解析手法
いま,任意の管路配置で強制冷却を実施したとき,各管路
のγ且度は次式で表わされる。
け~・-㍍]=[凡J] [l竹]-[cQど∫]d[r∫]d∬
二二で,rオ:~番管路の温度(Oc)
7七:土壌の基底i温度(Oc)
R∠J:管路の自己及び相互熟抵抗(Oc・Cm/W)
l竹:ノ番管路内の発熱量(W/cm)
C:冷媒の熱容量(J/em3)
Qざど:~番管路内の冷媒流量(em3/s)
∬:冷却方向の距離(cIⅥ)(1)式を解けば最終的に次式が得られる。
けど-㍍]=丑(([1ト[s]々e-αん-∬)[月ズ]々=1
+[s]ゐ。‾α点■ズ[れざ】㌔]ト‥‥‥
・(1)
‥‥(2)
管路間接水冷方式によるOFケーブルの送電容量増大 873
1.000
<【
蒜500綻咄
し∨ヽ
l
注1番線負荷電流
2番線負荷電流
3番線負荷電流
8月 22日 8月 23日
図7 電力ケーブルの通電電流パターンの一例
50
40
P 30
他年
甲弓 20
10
ケーブル表面温度
___■・-0・・-・・___
8月 24日 8月 25日 8月 26日
3回線ともほぼ同様の負荷電流変化を示Lている0
8月 27日
_._●Al水冷管
_叫⊃A2水冷管
Ⅰ ケーブル表面
8月 28日
ト則温度
A2
Al
「山一ケーブル表面
-Al水冷管
---A2水冷管‡計算温度
20 218A 1 2 3 4
238c Al(5∫/s)
A2
7 8 9 10 = 12 13 14 15 16 17 18 19
冷却水通水方向
図8 実測値と計算結果の比較 実測値と計算結果は部分的に差があるが,冷却区間全体とLては比較
的よく一致していることが分かる。A2及びB水冷管実測温度はほぼ等しいた桝二・二こではB水冷管温度を省略
Lた。
ただし,α々:[Ay]=[Aズ】‾1=[〔札・J〕・〔CQど~〕]‾1の桝有仙
[5]々‥展開係数(ミ真竿譜坦)茄i:冷枚の人I+7止†空(Oc)
となる。この解法をベースとして,間接水冷や直接水冷など
の冷却方式の差,及び今回の線路のような条件の異なる多【ヌニ
間にも適用可能な解析手法を確_、乞した。その詳細については,
本稿末尾の付録に示すとおりである。
(2)冷却時の温度実測値と計算値の比較
図8に示した実測結果に,前述の解析手法による数値計算
結果を併記した。ここで、計算条件としては,冷却水通水量
は実測時の5J/s,入口水温は23凸cを用い,▼‾ヒ壌の熱定数とし
ては非冷去l】時の実測結果から推定した値を用いた。図8に示
すとおり,冷却水温の分布は部分的に実測値と計算値とに差
があるが,入口,出口水温(A点)及び折返し点(B点)の水温
がよく-一一致しており,冷却区間全体としては比較的よく--・致
していることが分かる。また2箇所で測定したケーブル表面
温度も同間中に示すとおり,計算値と比較的よく一一致してい
る。この結果から,前述の推定熟定数及び計算手法を用いて,
本冷却系統の解析が可能であることが確認されたロ
夏季でグ〕実測時には,増存立化後の貴人送電谷量330MVA/
[呵線には達しなかったため,実測時の冷却条件及び土壌の熱
定数を用いて推定計算した結果,裕度をもって330MVA/回線
の送電が可▲能であることが判明した。
更に,長期の逆転期間中には冷却条件及び土壌の熱定数が
悪化することも予想されるため,設計f那皆で想定できる最悪
条件下の推㍍計算も行なった。ここでは,基底温度を25ロc,
冷却水入しl水温を300c∴曲水呈を4J/sとして計算したしノ 結果
は図9に示すとおり導体の最高温度は,連続許容温度の850c
以下に抑えられており,将来予想される諸条件の悪化に対し
ても所要の330MVA/回線の送電が可能であることが明らかと
なった。なお,分割通水時についても同様の推定計算を行な
し、,目標送電容量が確保されることを確認した凸
田 結 言
以上,東京電力株式会社城南線275kV OFケーブル系統に
実施した管路間接水冷方式に関する概要,及びその冷却効果
の解析結果について報告した。内容をまとめると次に述べる
79
874 日立評論 VOL・59 No.】0(1977-10)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
(UL
軸
粥
A2
Al
許容導体温度
‥_‥_..⊥…_
寮高専体温度
「基底温度
A1 2 3 4 5
300c Al(4J.ノノs)
A2
7 8 ∈〉 10 11 12 13 14・15 16 17・18 柑 20 21B
冷却水通水方向
図9 最大負荷時の冷却水温及び導体温度計算結果 将来予想される諸条件の悪化に対して計算L
たものである0導体の最高温度は▼許容温度の85。c以下に抑えられており.330MVA/回線を送電できることが分
かる。
とおりである。
(1)冷却水通水用パイプとして,ビニル防食波付ステンレス
管を主体に工事方法を検討し,運転中のケーブル増容量化の
ための引き入れ及び配管工法を確立した。
(2)この強制冷却方式の冷却効果について,現地実測結果と
理論解析の両面から検討し,目標送電容量が十分確保できる
ことを確認した。
将来,大容量送電線路への強制冷却システムの適用はます
ます増加する傾向にあり,ここに報告した内容は今後の超高
圧大容量強制冷却ケーブル系統の設計と石堂設に役立つものと
信じている。
終わりに,本システムの設計,工事及び現地実測に御協力
をいただいた東京電力株式会社,及び日立電線株式会社の関
係各位に対L厚くお礼を申しあげる。
参考文献
1)J哨;,小川ほか:‖附妾水J甘用叶とうステンレス管の開発,日円
和51年電与も学会仝何大会,No.1079
付言録 強制冷却時各部温度の解析方法
本文中(1)式より以下に示す置き換えを行ない
[Aズ]=[月び]・[cQ~ど]
[βズ]=[月む]・[l竹]
これより,[Aズ]・孟[℃-㍍]+[r・【㌔]=【叫更に,[Ay]=[A方]‾1とおけば,
孟[℃一九]十[d叶[れ一㍍]=[A叶[朗]となる。これを一次微分方程式として解くと,
[れ【㍍]`=(〔1〕-e‾【Arトズ)・[月ズ]+e‾【Ar】■ズ・[茄~・-㌔]
が得られる。ただし,ここでは入「]温度茄∫(7=1~乃)が境界条件
として与えられるものとした。上式はSylvesterの展開定理を用い
て,本‾文中の(2)式となる。
間接冷却では,冷喋が流れる管路と流れない管路がある。この
とき,単純に本文中(2)式でQ~ざ=0とおくと[Ay]が求まらず,(2)式
の解が得られない。そこで(1)式で,
80
けど-㍍]=
[cQ∫∫]
=[二桁
ただL,J=1~克
耶一丁忘
71一丁忘
丁;+1-㍍
n-7も
qQll
とQ七月≡0
0…0…恥・=帆
[n-㍍] J=1~丘
[7忘-㍍]l m=ん+1~乃
[0]
【l帆】
冷喋の丁売れる管路
γ=S+1~犯
m=ふ+1~几:冷媒の流れない管路
γ=5十1~れ:ケーブルの入っている管路
とおけば,CQざ古寺0の部分で
[℃¶㍍】=[叫[晰トd[℃]
d∬ [cQ上∠])が成り、てち,本文中(2)式と同様の解が得られる。[℃-㍍]が求ま
れば(1)式にもどって他の[7㌦-㍍]が求まる。
次に多区間の場創二は,第1区間の冷媒の入口温度[れ]f乃と最終
区間の出口温度[℃]eズの間に次式の関係が成I′)立つ。
[r]eズ=[A]・[T]f乃+[月]
ニニで[A],[月]は各区間ごとに(3)式で決まる既知数である。上式と冷牒の流れの組合せを考えると,下記の連立方程式が成り立
つ。ただL,既知の[n]f乃あるいは[℃】eズも未知数として扱っている。l-1
[叫二1
[c]‡0
0 j[β]
[ E ]
71i乃
T㌔i乃
れeズ
T;gズ
ここで,[c]:入口温度βf”が与え
丁よ三[βeズ]
[0]
られる管路No.で1,他は0
[β]:出口温度βeズが与えられる管路No.で1,他は0
ほ]:入口か出口で冷媒がつながり,往復路を形成する
とき熱量の連続を成立させる定数をおく。
上式を解けば,既知,未知を問わず全部の入日,出口温度が求まる。